Фотохромный эффект

 

 

 

    Кафедра «Физика и технология материалов и компонентов электронной техники».

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

     Курсовая работа

 

    «ФОТОХРОМНЫЙ ЭФФЕКТ»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                 Выполнил:

Студент группы 10-МТЭ

                                                                      Кузнецов А.В.                                                    

                                                              Проверил:

  

                 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                           

 

                                           

                                            Нижний Новгород, 2012                                                                                            

                                                Содержание

 

 

20

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                

                                      

                                             Введение

 

Стимулом разработки Фотохромных материалов послужили высказанные в 1956 идеи их использования при создании оптической памяти вычислительных машин и средств защиты глаз от солнечного света и излучения ядерного взрыва. С развитием лазерной техники повысился интерес к фотохромным средам для регистрации и обработки оптической информации. Выявление новых свойств Ф. м., сопутствующих фотохромным превращениям, напр. изменение показателя преломления, расширило возможности области их применения (напр., для модуляции излучения).

В зависимости от области  использования Ф. м. изготавливают  в виде жидких растворов, полимерных плёнок, тонких аморфных и поликристаллических слоев на гибкой или жёсткой подложке, полимолекулярных слоев, силикатных и полимерных стёкол, монокристаллов.

Применение фотохромных материалов основано на их светочувствительности, на появлении или изменении окраски непосредственно под действием излучения, на обратимости происходящих в них фотофизических и фотохимических процессов, на различии термических, химических и физических свойств исходной и фотоиндуцированной форм фотохромных веществ.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

     

                              

                                      ФОТОХРОМНЫЙ ЭФФЕКТ

 

ФОТОХРОМИЗМ (от греч. phos, род. падеж photos — свет и chroma — 
цвет), способность веществава обратимо менять под действием оптического излучения спектр поглощения видимого излучения (т. е. цвет). Многие вещества меняют цвет под действием, напряжения, рентгеновского или СВЧ излучения. Однако фотохромными в строгом смысле являются только те вещества, которые испытывают такие переходы и под действием оптическом излучения (УФ, видимого или ИК). 
 
При фотохромном процессе, вещество, поглощая оптическое излучение, переходит из исходного состояния  А в новое фотоиндуцированное состояние В, характеризуемое иным спектром поглощения света и определёным временем жизни. Обратный переход  В®А совершается самопроизвольно за счёт внутренней энергии и может значительно ускоряться при нагревании вещества или под действием света, поглощаемого в состоянии В.

 

Фотохром изм присущ очень большому числу органических и неорганических веществ. В основе фотохром изма органических веществ лежит ряд фотофизических процессов (например, поглощение света молекулами, находящимися в триплетном состоянии) и многочисленные фотохимические реакции, которые сопровождаются либо перестройкой валентных связей (например, при фото диссоциации, окислительно-восстановительных фотохимических реакциях), либо изменением конфигурации молекул (т. н. цис-транс изомерия, см. Изомерия молекул). Фотохромизм неорганических веществ обусловлен обратимыми процессами фотопереноса электронов, приводящими к изменению валентности ионов металлов, возникновению центров окраски различного типа, а также обратимыми реакциями фото диссоциации соединений и другие 
 

 

На основе органических и неорганических фотохромных веществ разработаны фотохромные материалы, применяемые в науке и технике. 
 
 

 

 

      

                        ФОТОХРОМНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

 

Фотохромные материалы, материалы, в которых используется явление фотохромизма органические и неорганические веществ, применяемые для регистрации изображений, записи и обработки оптических, сигналов. Фотохромные материалы получили широкое распространение с 60-х гг. 20 в. В зависимости от области применения фотохромные материалы изготовляют в виде жидких растворов, полимерных плёнок, тонких аморфных и поликристаллических слоев на гибкой и жёсткой подложке, силикатных и полимерных стёкол, монокристаллов. 
 
Наибольшее распространение получили полимерные фотохромные материалы на основе органических соединений (например, спиропиранов), фотохромные силикатные стёкла, содержащие микрокристаллы галогенидов серебра (AgBr, AgCl и другие), активированные кристаллы щёлочногалоидных соединений (например, КС1, KBr, NaF), солей и окислов щёлочноземельных металлов с добавками (например, CaF₂/La, Се). Применение этих материалов основано на их светочувствительности, на появлении или изменении под действием света окраски (изменении спектров поглощения), обратимости происходящих в них фотофизических и фотохимических процессов, на различии термических, химических и физических свойств исходного и фотоиндуцированного состояний фотохромных веществ. 
 
Фотохромные материалы характеризуются исключительно высокой разрешающей способностью (теоретический минимальный разрешаемый элемент может иметь размер порядка размера молекулы или элементарной ячейки кристалла, т. е. менее одного нанометра); возможностью получения изображения непосредственно под действием света, т. е. без проявителя и в реальном масштабе времени (время записи ограничивается длительностью элементарных фотопроцессов и может быть менее 10^-3 с); изменением в широких пределах времени хранения записанной информации (от 10^-6 с до нескольких месяцев и даже лет); возможностью перезаписи и исправления изображения с помощью теплового или светового воздействия. 
Светочувствительность фотохромных материалов на 4—7 порядков ниже, чем у галогенидо-серебряных фотоматериалов, поэтому особый интерес представляет применение фотохромных материалов в лазерных системах, обеспечивающих запись и обработку оптической информации в мощных потоках излучения в реальном масштабе времени. 
Фотохромные материалы находят применение в системах скоростной обработки оптической и электрических сигналов, в качестве элементов оперативной памяти ЭВМ (где быстродействие и многократность использования фотохромных материалов особенно важны), в системах микрофильмирования и микро записи, в голографии (где особенно существенно высокое разрешение фотохромных материалов), а также в оптоэлектронике, дозиметрии, актинометрии, в оптических затворах, автоматически изменяющих пропускание света в зависимости от уровня освещённости и мн. др. Широкое применение нашли фотохромные материалы в цветной фотографии и печати (где в зависимости от их типа можно получать негативное или позитивное многоцветное изображение под действием излучения в диапазоне от рентгеновского до микроволнового).                     

                  НАБЛЮДЕНИЕ ЯВЛЕНИЯ ФОТОХРОМИЗМА

Для наблюдения явления фотохромизма можно поставить следующий опыт. Параллельный пучок с произвольным состоянием поляризации, в частности, линейно поляризованного естественного света проходит через прозрачное фотохромное вещество (ФВ), предварительно подсвеченного лазерным излучением определённой длины волны, например ультрафиолетовое излучение, которое может быть получено с помощью ультрафиолетового лазера на парах кадмия (Kd) или аргонового (Ar) лазера. Выбор длины волны подсвечивающего лазерного излучения определяется спектром поглощения kA(l) ФВ и должно соответствовать максимуму полосы поглощения основного состояния А. Вследствие явления фотохромизма ФВ переходит в фотоиндуцированное состояние B. В состоянии B ФВ имеет свой спектр поглощения kB(l), отличный от спектра поглощения kA(l) в состоянии А. В частности, полосы поглощения в состоянии А и B могут быть разнесены по длинам волн или частично перекрываться. Для примера на рис. 1 приведены спектры поглощения в состоянии A и B  для поликристаллического слоя салицилиденанилина.

 

Изменение спектра поглошения при фотохромном эффекте

Рис. 1

 

1 - спектр поглощения поликристаллического слоя салицилиденанилина в основном состоянии (состояние A);

2 - спектр поглощения поликристаллического слоя салицилиденанилина в фотоиндуцированном состоянии (состояние B).

 

В результате при прохождении света через подсвеченное Фотохромное Вещество будут подавлены те его спектральные составляющие, которые соответствуют полосе поглощения ФВ в состоянии B. В этом случае экран S окажется окрашенным. Цвета окраски определяются положением полосы поглощения ФВ в состоянии B в спектре видимого света.

 

                   

                       ПРИМЕНЕНИЕ В ГОЛОГРАФИИ

Голография — это способ регистрации и последующего восстановления волновых полей, отраженных от предметов. Волновые поля регистрируются на специальных фотохромных средах. Для получения изображения на стеклянную пластину с фотохромным слоем направляется световая волна, отраженная от предмета (предметная волна), и световая опорная волна, когерентная с предметной. В месте их пересечения на пластине возникает световая интерференционная картина. Она фиксируется фотохромной средой в виде голограммы — своеобразной интерференционной структуры: волны накладываются друг на друга, усиливаются, ослабляются, образуя причудливые узоры — максимумы и минимумы света. Это оптический код изображения.

Не восстановленная голограмма с характерной интерференционной структурой, кодирующей оптическое изображение. На полученной голограмме изображение предмета увидеть нельзя. Если же голограмму осветить опорным пучком света, за ней, как за оконным стеклом, возникнет объемное изображение.

Фотохромные материалы (ФХМ) по сравнении  с обычно использующимися в голографии галоидосеребряными фотослоями обладают более высокой разрешающей способностью, обратимостью получения изображений. Они позволяют регистрировать голограммы непосредственно в процессе воздействия активирующего излучения без какой-либо дополнительной обработки, т.е. в реальном масштабе времени, получать высококачественное восстановленное изображение, не осложненное за счет усадки светочувствительного слоя. Обычно фотохромные материалы рассматриваются как амплитудные регистрирующие среды. Однако, согласно теоретическим и экспериментальным данным, в фотохромных материалах может осуществляться запись голограмм, дифракционная эффективность которых может достигать 10%. Более того, результаты экспериментальных исследований свидетельствуют о возможности чисто фазовой записи голограмм на фотохромных материалах, в частности, за счет изменения показателя преломления. С самого начала развития лазерной голографии вызывали большой интерес эффективные обратимые регистрирующие среды, необходимые для голографической техники фотохромные материалы.

Создание голограммы

 Голограмму записывают на  специальные фотопластинки, на фотохромные кристаллы. Если описать одну из элементарных голографических схем, то получится следующее. Чтобы прочертить лазерными лучами голографическую картинку, нужно в неком пространстве сложить несколько электромагнитных волн, причём их частота должна совпадать. Возникает так называемая стоячая электромагнитная волна. Дело в том, что при записи голограммы очень важно, чтобы длины волн с максимальной точностью совпадали друг с другом и не менялись в течение всего времени записи. Одна из волн называется «опорной», она идёт от источника; другая – «объектной», она отражается от объекта записи. Теперь, чтобы записать голограмму в области «стоячей электромагнитной волны», размещают фотопластинку. На ней появляются тёмные полосы, как рисочки. Если эту пластинку осветить волной, близкой к опорной, то она преобразует эту волну в волну, близкую к объектной. И мы увидим такой же свет, какой отражался бы от объекта записи.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Основные  голографические характеристики фотохромных материалов

Свойства фотохромных  материалов(ФХМ) исследуются в последнее время интенсивно в связи с перспективами их применения в средствах оптической голографической и не голографической обработки информации. В данном обзоре описываются характеристики лишь тех ФХМ, которые использовались для записи голограмм.

 

 

Выпускные формы ФХМ весьма разнообразны. Органические ФХМ представляют собой полимерные фотохромные слои на гибкой и жесткой подложках, фотохромные органические стекла и триплексы, кристаллические и аморфные слои на твердой подложке или в виде сэндвича, жидкостные ячейки. Неорганические ФХМ, как правило, используются в виде пластин кристаллов или силикатного стекла.

Из изложенного выше видно, что  ФХМ могут использоваться в качестве тонких и толстых голографических регистрирующих сред.

 

Случае голографической записи информации важнейшее значение приобретают такие вещества, которые испытывают фотохромные превращения под действием излучения разработанных одномодовых ОКГ. Известные ФХМ можно разделить в зависимости от области спектральной светочувствительности на три типа: чувствительные к УФ, видимому и ИК излучению ОКГ. Большинство ФХМ испытывает фотохромные превращения исходной формы под действием УФ света, а фотоиндуцированной формы - под действием видимого излучения.

 

 

Регистрирующие среды, использующие фотохромные эффекты

 

1. Фотохромные стёкла. Свойства фотохромных стекол достаточно подробно описаны в литературе в работе Керка сообщалось об успешной регистрации толстослойных амплитудных голограмм на фотохромном стекле фирмы corning (США), содержащей йодистое серебро. Для получения голограмм использовалась линия 488 нм аргонового лазера. Позднее Болдуин определил предельную разрешавшую способность фотохромного стекла путём записи голограму двух плоских волновых фронтов, сходящихся под переменным углом. В этих опытах пластина фотохромного стекла подвергалась предварительному экспонированию УФ облучением, а действие луча гелий-неонового лазера (632,8 нм) приводило к локальному просветлению участков, потемневших при воздсействии УФ излучения, Болдуин указал, что предельная информационная ёмкость фотохромных стёкол, рассчитанная из размеров отдельного микрокристалла галогенида серебра (5-10 нм) и расстояния между кристаллами (50-100 нм), составляет 1012- 1013 бит/мм^3. Время рассасывания потемнения при комнатной температуре сильно зависит oт состава стекла и термической предыстории образца; снижение температуры приводит к резкому возрастанию времени хранения записанной информации. Возможно многократное использование стекла; стирание голограммы производится при нагревании стекла до температуры 200°с и выше.

 

 

2.Фотохромные кристаллы. Ван-Хеердеи впервые указал на принципиальную возможность применения щелочно-галоидных кристаллов для регистрации объёмных голограмм. Позднее были опубликованы сообщения о применении для регистрации голограмм кристаллов К Вr, предварительно подвергнутых действию жесткого гамма-излучения.